ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ ТЕОРІЇ РОЗРЯДНИХ ДЖЕРЕЛ СВІТЛА
Загальна характеристика розрядних джерел світла
До головних позитивних якостей розрядних джерел світла або розрядних ламп (РЛ), світловий потік яких створюється електричним розрядом у газах, парах металів або їхніх сумішах, відносяться досить висока світлова віддача, яка в 5 - 10 разів вища, ніж у ЛР
(85-100 лм/Вт і вище), і в 10 - 20 разів довший строк служби (до 15 тис. год і більше). Разом з цим РЛ можуть мати різноманітні спектри випромінювання та різні яскравості. Діапазон значень потужності розроблених РЛ є дуже широким. Завдяки використанню різноманітного наповнення створені високоефективні РЛ з випромінюваннями, які відносяться як до видимої, так і до ультрафіолетової та інфрачервоної частин спектра. Ці спектри можуть бути майже безперервними, багатолінійчастими та практично складеними з одиночних ліній.
Особливо ефективні розряди високого та надвисокого тиску, які дозволяють створювати джерела з дуже великою яскравістю випромінювання. Завдяки незначній інерційності газового розряду створені імпульсні РЛ, які дають досить короткочасні інтенсивні спалахи випромінювання, що має велике значення для стробоскопів, фотографування, аерофотозйомки і т. ін.
Недоліком РЛ перш за все є деяка складність їхнього вмикання в електричну мережу, оскільки для запалювання цих ламп, як правило, потрібна значно більша напруга, ніж для їхнього горіння. Для забезпечення сталого горіння РЛ в електричне коло кожної з них необхідно вмикати баластний опір, щоб обмежити значення розрядного струму.
Істотним недоліком РЛ, в яких використовуються пари металів, також є те, що на характеристики таких ламп дуже впливає їхній тепловий стан, оскільки температура визначає тиск парів речовин, що містяться в колбах ламп. Тому номінальний режим роботи таких ламп встановлюється тільки через деякий час після вмикання. Крім цього, повторне запалювання ламп з розрядом в парах металів при високому та надвисокому тиску без використання спеціальних заходів можливе лише через певний проміжок часу після вмикання.
Фізичні процеси в розрядному проміжку розрядних ламп
Заповнений газом проміжок, в якому при роботі РЛ виникає електричний розряд, утворюється електродами, розташованими у прозорій для оптичного випромінювання колбі тієї чи іншої форми. А електричним розрядом у газі або газовим розрядом називають сукупність явищ, які виникають при проходженні електричного струму через газ. Один з електродів відіграє роль катода, а інший - анода.
Головним призначенням катода є забезпечення надходження електронів у газорозрядний проміжок для підтримання розряду (струму). Анод є приймачем електронів, які виходять з газорозрядного проміжка. При змінному струмі електроди РЛ почергово виконують роль катода і анода.
Внутрішній простір колби РЛ після видалення повітря та інших газів і пари води, як правило, заповнюється інертним газом і невеликою кількістю металу з високою пружністю парів (ртуть, натрій, кадмій та інші).
У звичайних умовах газ майже не містить вільних електронів та іонів і тому є досить добрим діелектриком. Незначна електропровідність, яку гази все ж таки мають, обумовлена постійною їх іонізацією космічними променями, випромінюванням радіоактивних речовин, що містяться в земній корі та атмосфері, рентгенівськими і ультрафіолетовими променями, емісією електронів з електродів та іншим.
Якщо до електродів, між якими знаходиться газ, підвести відносно невелику напругу, то через газ буде проходити так званий несамостійний електричний струм. Несамостійним він називається тому, що електропровідність газу обумовлена дією зовнішнього іонізатора, який створює в газі вільні електрони, які називаються первинними. Це - звичайний струм провідності. Він зникає з припиненням дії зовнішнього іонізатора.
При невеликому збільшенні напруги від нуля струм у газі, як і у звичайному провіднику, збільшується пропорційно напрузі. Але при значнішому підвищенні напруги зростання струму спочатку сповільнюється, а потім майже припиняється, незважаючи на зростання напруги. Це зростання струму пояснюється зменшенням кількості іонів і електронів, які встигають об’єднатися в нейтральні молекули при збільшенні напруги. Із збільшенням напруги до значення, при якому процес рекомбінації вже зовсім не відбувається, струм досягає максимального значення, яке залежить від інтенсивності іонізації. Називається це максимальне значення струму струмом насиченості (Інас).
Газорозрядний проміжок (електричний розряд) є складовою частиною електричного кола, в якому замикається струм. Тому що струм завжди безперервний, а у послідовному електричному колі ще й однаковий у всіх елементах кола, для його виникнення у газовому проміжку необхідна не тільки іонізація газу, але й перехід електронів з катода в газ та з газу в анод. Але для виходу з металевого провідника, як і з напівпровідника, електрони повинні переборювати силу, яка утримує їх у провіднику (напівпровіднику). Для цього необхідна певна енергія. Найменшу енергію, яку необхідно передати електронові провідності для того, щоб він зміг покинути тіло, називають роботою виходу. Одиницею вимірювання її як і роботи збудження та роботи іонізації є електрон-вольт. Значення роботи виходу належать до характерних для різних матеріалів величин, які залежать від структури матеріалу і стану його поверхні. Чим меншу роботу виходу має катод, тим ефективнішою є його дія. Для металів її значення мають порядок декількох електрон-вольт. Зокрема, для вольфраму, який часто використовують для виготовлення катодів, робота виходу дорівнює 4,52 еВ.
Прагнення мати катоди з якнайменшою роботою виходу призвело до створення активованих катодів, які як домішку до вольфраму містять у собі невелику кількість іншого металу з меншою роботою виходу. До таких металів належить, зокрема, торій. Технологія виготовлення торійованих катодів і властивості торію обумовлюють виникнення на поверхні вольфраму тонкого шару позитивних іонів торію. Цей шар іонів створює біля поверхні катода електричне поле, яке сприяє виходу з нього вільних електронів.
Завдяки цьому шару робота виходу торійованих катодів (2,6 eB) є значно меншою, ніж у вольфрама і навіть у самого торію (3,4 eB).
Значним недоліком активованих катодів є поступове руйнування плівки торію, що істотно зменшує строк служби катодів. Ще меншу роботу виходу мають оксидовані катоди, у яких металева основа (дріт або трубка) покривається шаром із суміші окисів барію та стронцію. Робота виходу нанесеної на поверхню таких катодів окисної плівки складає всього 0,8-1,4 еВ.
Може скластися таке враження, що метали з найменшою роботою виходу є найпридатнішими для виготовлення катодів. Проте такі метали зазвичай мають порівняно низьку температуру плавлення і при нагріванні починають дуже швидко випаровуватися, що є серйозною перешкодою для їхнього використання.
Вийти з тіла електрон може, коли його швидкість направлена в бік поверхні тіла, а кінетична енергія
де me - маса електрона (me ~ 9,107 10-31 кг), υ - швидкість електрона, Авих - робота виходу.
Вихід електронів за межі поверхні тіла, як відомо, називається електронною емісією. Залежно від виду додаткової енергії, яку електрони отримують для здійснення роботи виходу з тіла, електронна емісія може бути термоелектронною, електростатичною (автоелектронною), фотоелектронною і вторинною.
Термоелектронною емісією називається випускання (емісія) тілом (катодом) електронів при його нагріванні. Електростатична (холодна) емісія виникає при наявності біля поверхні тіла досить сильного електричного поля (близько 106 В/см). Сильне зовнішнє електричне поле поблизу поверхні тіла вириває з нього електрони, які при цьому випускаються (емітуються) в оточуючий простір і без нагрівання тіла. Фотоелектронна емісія являє собою випускання електронів тілом за рахунок отриманої променистої енергії. Коли поверхня тіла бомбардується електронами, то виникає вторинний потік електронів з цієї поверхні і така емісія називається вторинною
електронною емісією. Вона виникає завдяки відбиттю електронів від поверхні тіла, а також вибиванню електронів з цієї поверхні. Для того, щоб вторинна емісія була інтенсивною, необхідно, щоб енергія первинних електронів, які бомбардують поверхню тіла, досягала декількох сотень електрон-вольт. Коли вторинна емісія виникає за рахунок бомбардування тіла іонами, вона називається вторинною електронно-іонною емісією.
При термоелектронній емісії електрони вилітають з катода в результаті збільшення їхньої кінетичної енергії при нагріванні катода. Коли ж кінетична енергія електрона більша за роботу виходу, то і після вильоту з катода він буде мати певну швидкість.
Залежність густини струму термоелектронної емісії від температури катода і роботи виходу його матеріалу описується рівнянням Річардсона-Дешмана
Фотоелектронна емісія (зовнішній фотоефект) визначається
рівнянням Ейнштейна, яке випливає із закону збереження енергії,
Число фотоелектронів, що припадає на один падаючий фотон (квантовий вихід фотоефекта), залежить від властивостей речовини і довжини хвилі випромінювання, а їхня кількість пропорційна інтенсивності випромінювання.
У замкнутому електричному колі з ввімкнутим у нього газовим проміжком перехід електронів з холодного катода в газовий проміжок забезпечує автоелектронна емісія, тобто струм у цьому місці електричного кола створюється електронами, які вириваються з електрода зовнішнім електричним полем. Частина вирваних з катода електронів об’єднується з позитивно зарядженими іонами газу і утворює нейтральні молекули.
Як відомо з курсів фізики і електротехніки, коли електрон знаходиться в електричному полі, то на його заряд es діє сила F, яка дорівнює добутку заряду на напруженість електричного поля Е в місці знаходження заряду, тобто
Знак мінус у цьому виразі вказує на те, що внаслідок негативного заряду електрона сила, яка на нього діє, направлена протилежно до вектора напруженості електричного поля. Робота, яка витрачена електричним полем на переміщення заряду ее з однієї точки в іншу, як зазначено вище, дорівнює добутку заряду на різницю потенціалів в цих точках, тобто
Переміщення електронів у газі від катода до анода під дією електричного поля (напруги) відбувається в умовах частих зіткнень з нейтральними атомами та молекулами газу - наповнювача (у розряді кількість нейтральних атомів і молекул газу в одиниці
об’єму n0 в 102 - 104 разів більша, ніж заряджених частинок пе). У процесі зіткнення з атомами і молекулами газу електрони втрачають певну частину своєї енергії і змінюють напрямок руху. У результаті рух електронів до анода, як і іонів до катода, відбувається по складних зигзагоподібних траєкторіях (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Траєкторія руху електрона в газі від катода до анода під дією зовнішнього електричного поля
Також слід зазначити, що час перебігу електрона від катода до анода є значно коротшим, ніж тривалість періоду змінного струму (Т=1/f =1/50 с). Кількість зіткнень електронів з атомами і молекулами газу істотно залежить від тиску газу. З підвищенням тиску газу довжина вільного пробігу електронів у ньому зменшується, а чим меншою є довжина вільного пробігу, тим нижчу швидкість, а значить, і меншу кінетичну енергію отримують електрони у тому ж електричному полі до чергового зіткнення.
Часто швидкість руху електронів у газі під дією електричного поля оцінюють так званою температурою електронного газу (Те), умовно розглядаючи всю сукупність вільних електронів як окремий газ, який називається електронним. При цьому під температурою електронного газу розуміють температуру, яку повинен мати газ, що складається з нейтральних частинок з масою електрона, для того щоб швидкості теплового руху цих частинок були такими ж, як і в даному електричному полі. Зрозуміло, що температура електронного газу не має нічого спільного з дійсною температурою газу або пари металу в газорозрядному проміжку. Однак з підвищенням тиску газу, коли довжина вільного пробігу електронів стає все меншою, різниця між дійсною температурою газу Тг та електронною температурою Те зменшується. Характер залежностей температури газу Тг і електронної температури Те від тиску газу р при однаковому струмі в розрядному проміжку Ι показаний на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Залежності температури електронного газу Те і температури газу Тг від тиску р
Коли електрони мають відносно невелику швидкість (невелику кінетичну енергію), що відповідає невеликим значенням напруги, при зіткненнях змінюються лише швидкість і напрямок руху частинок, що стикаються. Іонізація та збудження атомів газу при цьому відсутні, оскільки кінетична енергія електронів для виникнення цих процесів є недостатньою.
Зіткнення, що не призводять до іонізації та збудження атомів газу, називаються пружними. При великих швидкостях електронів, коли їхня кінетична енергія вже стає достатньою для збудження атомів або також і іонізації, зіткнення електронів з атомами і молекулами газу називаються непружними. При іонізації валентні електрони відокремлюються від своїх атомів і стають вільними, а атоми перетворюються в позитивні іони. Іонізація атомів і молекул, яка відбувається внаслідок зіткнення з ними заряджених частинок, прискорених електричним полем, називається ударною. При збудженні атомів газу їхні валентні електрони переходять в атомі на більш високі енергетичні рівні. При поверненні в нормальний стан отримана ними надлишкова енергія виділяється у виді квантів (фотонів), завдяки чому в РЛ здебільшого і виникає випромінювання (світіння).
Іонізація атома, яка відбувається після його збудження, називається ступінчастою. Зрозуміло, що для того, щоб вона відбулася вільному електронові потрібна менша енергія, ніж для іонізації атома з нормального стану. Наявність у газі метастабільних атомів, які перебувають у збудженому стані довше, ніж звичайно, значно збільшує імовірність виникнення ступінчастої іонізації.
Позитивні іони, які з’явилися у результаті іонізації газу, також приймають участь в утворенні струму і в процесах збудження та іонізації атомів і молекул газу-наповнювача. Проте в РЛ їхня участь у цих процесах дуже мала. Це пояснюється тим, що маси атома та його іона майже однакові, тому при зіткненнях з атомами біля половини набутої кінетичної енергії іон передає ядру атома і для накопичення ним енергії, достатньої для збудження або іонізації газу, потрібне значно сильніше електричне поле, ніж те, яке буває в РЛ.
Як відомо з курсу фізики, кінетична енергія будь-якої іонізуючої частинки з масою т, яка необхідна для здійснення ударної іонізації атомів газу, визначається співвідношенням
де Аі - робота іонізації; М - маса атома.
Швидкість руху іонів в електричному полі через те, що вони мають набагато більшу масу, ніж електрони, при однаковій кінетичній енергії набагато менша, ніж швидкість руху електронів. А струм, як відомо, визначається числом заряджених частинок, які проходять через певну площину в одиницю часу. Тому складова іонного струму у розрядному струмі дуже невелика. Як правило, вона не перевищує десятих часток процента. Отже, з високою точністю можно вважати, що струм в РЛ створюється лише переміщенням електронів. Але позитивні іони, які під дією прискорюючого електричного поля рухаються у бік катода і завдають ударів його поверхні, вибивають з цієї поверхні електрони, тобто визивають з катода електронно-іонну емісію, а вона має важливе значення для виникнення електричного розряду (струму) між електродами РЛ. Не менш важливим є ще і те, що в результаті бомбардування катода позитивними іонами він нагрівається, завдяки чому, в свою чергу, виникає термоелектронна емісія.
Залежно від умов та інтенсивності розглянутих процесів розряд у газі може бути тихим, тліючим, дуговим або іскровим. В РЛ переважно використовують дуговий розряд і рідше - тліючий. При цьому в просторі між електродами, де відбувається розряд, розрізняють три частини: катодну, стовп розряду і анодну.
У переважній більшості РЛ випромінювання позитивного стовпа розряду є основним і виникає воно з більшим ККД, ніж випромінювання в приелектродних областях розряду. Випромінювання останніх використовують лише в спеціальних типах ламп, зокрема, в лампах тліючого світіння. Електроди під час розряду можуть при певних умовах нагріватися настільки сильно, що також стають джерелами теплового випромінювання. Таке випромінювання використовується в електродосвітних лампах.